[发明专利]一种汽车尾气传感器芯片用加热电极及其制备方法与芯片

说明书

本发明公开了一种汽车尾气传感器芯片用加热电极及其制备方法与包含该电极的芯片，该加热电极的电极浆料包括以下质量份的组分：85～90份的纳米铂粉末、4‑8份的纳米氧化铝粉末、2～4份的乙基纤维素、0.5～1份的异佛尔酮、1～3份的松油醇、1～2份的醋酸丁酯溶剂。本发明的汽车尾气传感器芯片用加热电极及其制备方法与包含该电极的芯片具有稳定性优异、导电导热性好、应力小、发热效率高和耐久可靠的特点。

技术领域

本发明涉及用于传感器芯片的功能电子材料技术领域，具体是指一种汽车尾气传感器芯片用加热电极及其制备方法与包含该电极的芯片。

背景技术

汽车产业快速发展，排放法规越来越严，目前电动汽车占比5％，电动汽车全面替代燃油车还需很长过程。中国汽车连续13年产销位居全球第一，2021年中国汽车总销量就达到了2600万辆。针对越来越严重的汽车尾气污染，世界各国制定了越来越严格的汽车排放标准，提高汽车的燃油效率，减少排放成为中国乃至世界亟待解决的问题。

汽车尾气传感器是减少排放、降低汽车对环境污染、提高汽车发动机燃油燃烧质量的实现严格排放标准的关键部件。被安装在汽车发动机排气口和汽车尾气处理系统后面，准确、快速地测量汽车尾气中的氧气、CO、碳氢化合物、 NOx、氨气等物质的浓度；实时精确控制喷油和净化处理汽车尾气，达到节能减排效果。

汽车尾气传感器的核心是传感器芯片，由纳米氧化锆、铂、氧化铝等多种材料多层结构经1500℃高温异质烧结而成的敏感元件。它的制造涉及到电化学、催化化学、界面化学、材料学、粉末冶金学、微电子学等众多领域的高精技术。技术含量高、制备工艺难度大，长期以来被德国、日本企业垄断。

目前使用的汽车尾气传感器，采用的固体电解质均为二氧化锆，二氧化锆在低温下电导率很低，使得氧传感器在350℃以上的温度才能工作，特别是第五代空燃比传感器和宽域氧传感器，其正常工作温度550℃-800℃；第六代氮氧化合物传感器正常工作温度为700℃-900℃。因此，常用的汽车尾气传感器都设有加热体，用于对固体电解质加热。

例如，中国发明专利申请CN101000320A公开了一种片式氧传感器及其制备方法，该片式氧传感器包括加热器和氧敏感探头，其中加热器内包括加热器基体、设在加热器基体上的绝缘层和位于绝缘层内部的加热体；所述加热体是在钼粉中加入氧化铝和氧化锆微粉制成纯钼浆料，然后采用厚膜丝网印刷技术得到。CN101168472A公开了一种无铅钼电极浆料及其制备方法，其中，该电极浆料含有无铅玻璃粘结剂、有机粘结剂、金属氧化物和钼金属粉末。

例如中国发明专利申请CN 109001284 A公开了一种氮氧化物传感器陶瓷芯片其中在陶瓷芯片的第四层膜片与第五层膜片之间设包裹在加热电极绝缘层内的加热电极，加热电极外引线穿过第五层膜片位于第五层膜片下表面，第五层膜片设有填充加热电极绝缘层浆料的应力释放孔。

同时，目前市场上的产品和技术方案大都是采用采用铂金属作为汽车所用的尾气传感器芯片的加热电极材料，由于铂金属的熔点在1772℃，而传感器芯片采用多层高温共烧工艺，烧结温度大约1500℃，因此只能采用铂粉、陶瓷粉末、有机粘结剂和溶剂制备成浆料，然后通过丝网印刷工艺在绝缘层上制备加热电极。

可见，现有技术存在以下不足：1、采用的铂粉粒径、形貌、均一性差，做出来的加热电极电阻不稳定，内部孔洞多，铂粉末之间结合性差，在加热电压升高和高温条件性容易出现裂纹、电弧烧蚀而使得加热电极失效；2、添加了玻璃釉料来促进铂的烧结和氧化铝绝缘层的粘合，但是降低的加热电极的发热效率、增加了加热电极的脆性，随着长期高温使用，玻璃釉料会扩散流动导致传感器芯片失效；3、烧结过程中与氧化铝绝缘层、氧化高陶瓷基片的收缩率相差大，导致烧结过程容易产生开裂、变形、裂纹以及内应力集中；4、热膨胀系数和绝缘层的材料相差大，在长期使用过程中由于温度的冷热变化导致材料内应力产生微裂纹而出现失效。